JP4829052B2

JP4829052B2 - 中性子検出器の製造方法

Info

Publication number: JP4829052B2
Application number: JP2006242909A
Authority: JP
Inventors: 幹雄泉; 悦夫野田; 禎司宮崎; 直敬小田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-09-07
Also published as: JP2008064608A

Description

原子炉炉心に挿入して炉心内の中性子を測定する中性子検出器の製造方法に関する。

原子炉において、炉心内に設置したセンサで中性子束を測定することによって炉出力が監視される。

例えば沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では、炉心内に設置された中性子検出器である局所出力領域モニタ（ＬｏｃａｌＰｏｗｅｒＲａｎｇｅＭｏｎｉｔｏｒ，ＬＰＲＭ）によって監視され、炉出力に異常が発生した場合に原子炉の運転を停止させる（特許文献１参照）。

このＬＰＲＭセンサは、カソードとアノードとを絶縁体で分離して両者に電圧を印加し、その間の電離イオンを収集することで放射線を計測する検出器である。

具体的には、中性子と反応して荷電粒子を放出する中性子変換物質をカソードの内面に塗布し、その中性子変換物質から放出された荷電粒子により電極間のガスを電離し、その電離量を測定する（特許文献２参照）。

通常、このＬＰＲＭセンサは、１１０万ｋＷ出力の原子炉で燃料軸方向に沿って４個のセンサが格納されたＬＰＲＭ検出器集合体が炉心内に約４３本配置され、燃料域の局所炉出力を監視する。
特開２００１−２２８２８２号公報特許第３７１９７４８号公報

このような中性子検出器を、現在設置されている原子炉燃料の隙間よりもさらに狭い隙間に設置することが望まれているが、そのためには中性子検出器の径、すなわちカソードの径を更に細くする必要がある。

しかし、カソードを細径とした場合、カソードの内面に中性子変換物質を安定に塗布することが難しくなる。

例えば、真空中にプラズマを生成し、そのプラズマで中性子変換層をスパッタリングしてアノード内面に中性子変換層を塗布するＰＶＤ法を用いた場合、カソードの径を細くするとプラズマを発生させるための十分な空間が確保し難くなるという問題があった。

また、通常、中性子検出器内に電離用のガスを封入するためにカソードの外側にケースを設け、そのケースに電離ガスを封入する。しかし、中性子検出器の径を細くするためには、このような２重円筒構造を採用することは困難となる。

本発明は、上記課題を鑑みなされたものであり、細径の中性子検出器を製造する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る中性子検出器の製造方法は、本体ケース内に円筒状のカソードが収納され、そのカソード内に棒状のアノードが配置されて、本体ケース内部に充填ガスが封入されるとともに、カソードの内周壁に中性子に反応して荷電粒子を放出する中性子変換層が設けられる中性子検出器の製造方法において、前記アノードの代わりに、中性子有感物質を含み先端に尖端部を有する放電電極をカソード内に挿入し、前記放電電極及びカソードに電圧を印加し、放電電極の尖端部及びカソード間にプラズマを発生させ、このプラズマにより放電電極の中性子有感物質をスパッタリングさせてカソード内周壁に蒸着させることにより中性子変換層を設けることを特徴とする。

本発明に係る中性子検出器の製造方法によると、細径の中性子検出器を製造することが可能となる。

本発明に係る中性子検出器の製造方法の実施形態について、添付図面に基づいて説明する。

〔第１実施形態〕
始めに、本発明に係る中性子検出器の製造方法、及びこの製造方法により製造された中性子検出器の第１実施形態を、図１〜図６に基づいて詳細に説明する。

図１は、第１実施形態の中性子検出器１を示す構成図である。

中性子検出器１は、核分裂電離箱から成り、一般的に局所出力領域モニタ（ＬＰＲＭ）と呼ばれている中性子検出器である。

中性子検出器１は、図１に示すように、円筒状の本体ケース２を有し、本体ケース２内の中心部に棒状のアノード３が軸方向に配置され、そのアノード３を囲うように円筒状のカソード４が配置される。アノード３は、周方向位置決め絶縁体５にて両端がカソード４に固定され、カソード４内の周方向位置がずれないように固定される。この周方向位置決め絶縁体５は、アノード３及びカソード４のスペーサを兼ねている。

本体ケース２の一端は金属製の端栓６で塞がれ、端栓６とアノード３及びカソード４との間に軸方向位置決め絶縁体７が収納されることにより、本体ケース２内においてアノード３の軸方向位置がずれないように固定される。

本体ケース２の内部には、アルゴン等の充填ガス８が封入され、粒子の飛程を短くするために数気圧程度の高圧に保たれる。

また、本体ケース２のもう一端には信号ケーブル要素９が差し込まれ、アノード３及びカソード４に電気的に接続される。本体ケース２の一端と信号ケーブル要素９との間は、本体ケース２内の充填ガス８が本体ケース２の外部に漏れないように溶接部１０が設けられる。

円筒形のカソード４の内周壁１１には、中性子に反応して核反応を起こし荷電粒子を放出するウラン等の中性子有感物質からなる中性子変換層１２が皮膜として設けられる。

炉心にて発生した中性子が中性子検出器１の中性子変換層１２に入射すると、中性子は荷電粒子に変換される。中性子検出器１は、その荷電粒子Ａをアノード３及びカソード４で検出することによって、中性子を計測する。

この中性子検出器１において、カソード４の内周壁１１に中性子変換層１２を塗布する方法について説明する。

図２は、中性子検出器１に中性子変換層１２を塗布する中性子変換層塗布装置１３の構成図である。

中性子変換層塗布装置１３は、先端に突起状の尖端部１４を有する細長い棒状あるいは鉛筆形状の放電電極１５と、この放電電極１５及びカソード４を電気的に絶縁する筒状あるいはスリーブ状の絶縁体１６と、放電電極１５及びカソード４間に電圧を印加する電圧印加手段１７と、放電電極１５が中性子検出器１のカソード４内に挿入された際に、放電電極１５及び絶縁体１６をカソード４内において軸方向に移動させる電極移動手段１８とから構成される。なお、放電電極１５の周囲が絶縁体１６で覆われ、放電電極１５の尖端部１４のみが絶縁体１６から露出するように構成される。

放電電極１５は、中性子と反応して荷電粒子Ａを発生させるボロン、リチウム等や、核分裂を起こすウラン等の中性子有感物質Ｂで表面の全面または一部をコーティングさせて作成しても良いし、全体をこれらの材料で作成しても良い。また、絶縁材の材料は、アルミナ、シリカ等である。

中性子変換層塗布装置１３において、雰囲気や放電電極１５の尖端部１４及びカソード４間の距離がプラズマ発生条件を満たしている場合に、放電電極１５の尖端部１４及びカソード４間にあるガスがプラズマ化する。このプラズマＰにより放電電極１５の中性子有感物質Ｂがスパッタリングし、カソード４の内面に中性子変換層１２が塗布される。

図３は、中性子検出器１のカソード４に中性子変換層１２を塗布する際の動作説明図である。

図３に示すように、先端に円錐状または多角錐状の尖端部１４を有する棒状の放電電極１５をカソード４内に挿入する。カソード４及び放電電極１５間にプラズマＰが安定して生成できる空間があれば、プラズマＰが生成されて、加速された荷電電子Ａが放電電極１５に衝突し、その材料またはその表面に塗布された中性子有感物質Ｂをスパッタリングし、カソード４の内周壁１１にスパッタリングされた中性子有感物質Ｂが蒸着し、中性子変換層１２が生成される。

この時、放電電極１５の絶縁体１６で覆われていない尖端部１４周辺のみでプラズマＰが発生するので、この放電電極１５を電極移動手段１８によりカソード４内を軸方向に走査させることで、カソード４内の任意の位置に中性子変換層１２を塗布することができる。

このように放電電極１５の一端に尖端部１４を設けることにより、カソード４が細径であっても、その放電電極１５の尖端部１４とカソード４との間隔を確保することが可能となり、放電電極１５及びカソード４間に安定したプラズマＰを生成させて、安定な中性子変換層１２を生成することができる。

図４が尖端部１４を有さない従来の円筒状の放電電極１５Ａを用いた際の動作説明図である。図４では、カソード４の内径が狭くなるとプラズマＰを安定的に生成する空間を確保できなくなるのに対し、本発明に該当する図３では、常にプラズマＰを安定的に発生させるために必要なプラズマ空間を確保することができる。

すなわち、従来の中性子変換層の塗布方法（図４）は、カソードの内径が５ｍｍ以上の場合でないと適用できなかったが、第１実施形態の中性子変換層の塗布方法（図３）によると、カソードの内径が４ｍｍ以下であっても安定した中性子変換層を塗布することが可能となる。

また、放電電極１５自体をスパッタリング用のターゲットにするのではなく、中性子有感物質ＢをこのプラズマＰ部内に別個設置しても良い。

すなわち、図５に示すように、中性子変換層塗布装置１３Ａにおいて、放電電極１５をウラン等の中性子有感物質Ｂで生成したり、放電電極１５を中性子有感物質Ｂでコーティングしたりせずに、中性子有感物質Ｂを含む中性子変換材１９、及び、この中性子変換材１９をカソード４内において放電電極１５とともに軸方向に移動させる中性子変換材移動手段２０を別個に設けても良い。

さらに、図６に示すように、中性子変換層塗布装置１３Ｂにおいて、中性子有感物質Ｂを塗布する際に、イオンや電子等の粒子を発生させる粒子発生装置２１からカソード４内に粒子を注入しても良い。粒子発生装置２１を用いて放電電極１５に直接粒子を衝突させることで、スパッタリングの頻度を向上させて中性子変換層１２の塗布に要する時間を短縮することができる。

第１実施形態によると、カソード４が細径であっても、カソード４の内周壁１１に中性子変換層１２を塗布することができ、小型の中性子検出器１を提供することが可能となった。

〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る中性子検出器１及びその製造方法の第２実施形態を図７に基づいて説明する。なお、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図７は、第２実施形態の中性子検出器１Ａを示す構成図である。

第２実施形態の中性子検出器１Ａは、カソード４Ａを耐圧構造とすることにより、第１実施形態の中性子検出器１で用いた本体ケース２を省略したものである。

すなわち、中性子検出器１Ａは、図７に示すように、耐圧性を有する円筒状あるいはスリーブ状のカソード４Ａを有し、カソード４Ａ内の中心部に棒状のアノード３が配置される。アノード３は、周方向位置決め絶縁体５にて両端がカソード４Ａに固定され、カソード４Ａ内の周方向位置がずれないように固定される。

カソード４Ａの一端は金属製の端栓６で溶接により綿密に塞がれ、端栓６とアノード３及びカソード４Ａとの間に軸方向位置決め絶縁体７が収納されることにより、アノード３及びカソード４Ａの軸方向位置がずれないように固定される。

カソード４Ａの内部には、アルゴン等の充填ガス８が封入され、粒子の飛程を短くするために数気圧程度の高圧に保たれる。

また、カソード４Ａのもう一端には信号ケーブル要素９が差し込まれ、アノード３及びカソード４Ａに電気的に接続される。カソード４Ａと信号ケーブル要素９との間は、本体ケース２内の充填ガス８が本体ケース２の外部に漏れないように溶接部１０が設けられる。

円筒形のカソード４Ａの内周壁１１には、中性子変換層１２が設けられる。

従来のような本体ケースを有する中性子検出器では、外径が８ｍｍ以上であったが、第２実施形態によると、本体ケースの分だけ外径を小さくすることができ、具体的には、中性子検出器１Ａの外径を６ｍｍ以下にすることが可能となる。

第２実施形態によると、中性子検出器１Ａを本体ケース２の分だけ更に細径化することが可能となる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明に係る中性子検出器１及びその製造方法の第３実施形態を図８に基づいて説明する。なお、第１実施形態及び第２実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図８は、第３実施形態の中性子検出器１Ｂを示す構成図である。

第３実施形態の中性子検出器１Ｂは、第２実施形態の中性子検出器１Ａにおいて、中性子変換層１２ａ〜１２ｃを軸方向に複数離間させて作成し、アノード３の代わりに光ファイバ２２を用いたものである。

すなわち、中性子検出器１Ｂは、図８に示すように、耐圧性を有する円筒状のカソード４Ａを有し、カソード４Ａ内の中心部において光ファイバ２２がカソード４Ａの両端を貫通するように配置される。

光ファイバ２２は、カソード４Ａの両端で溶接されて固定され、この溶接部１０によって内部の充填ガス８の外部への漏れが防止される。

円筒形のカソード４Ａの内周壁１１には、複数の中性子変換層１２ａ〜１２ｃが設けられる。

なお、第１実施形態の中性子変換層塗布装置１３を用いると、放電電極１５をカソード４Ａ内において軸方向に移動させながら、任意の軸方向位置で電圧を印加することにより、カソード４Ａの内周壁１１の任意の位置に任意の数だけ中性子変換層１２ａ〜１２ｃを設けることができる。

図８では、カソード４Ａの内周壁１１に、間隔を置いて３箇所の中性子変換層１２ａ〜１２ｃが塗布されている例を示している。

中性子検出器１は、中性子変換層１２ａ〜ｃを多点に分布させ、ぞれぞれの位置からの中性子反応による信号を識別して読み取ることで、中性子分布が測定できる。

すなわち、中性子変換層１２ａ〜１２ｃで中性子と反応し放出された荷電粒子により光ファイバ２２内でシンチレーション光が発生するように設置する。このシンチレーション光の検出時間差からシンチレーション光の発生位置が特定でき、最終的に、中性子反応位置を識別することが可能となる。

なお、第３実施形態では、光ファイバ２２を用いて光で位置を検出する手法を説明したが、管内に封入したガスのガスシンチレーション光により計測する手法や、複数の電気的な電極（アノード電極）を設けてそれぞれの位置を識別する信号処理を用いた手法で代用しても良い。

第３実施形態によると、カソード４Ａ内の任意の位置に中性子変換層１２ａ〜１２ｃを離間させて塗布することにより、細径の分布計測型の中性子検出器１Ｂを提供することが可能となった。

本発明に係る中性子検出器の第１実施形態を示す構成図。第１実施形態の中性子変換層塗布装置を示す構成図。第１実施形態の中性子検出器を示す動作説明図。第１実施形態の中性子検出器を示す動作説明図。第１実施形態の他の実施例を示す構成図。第１実施形態の他の実施例を示す構成図。本発明に係る中性子検出器の第２実施形態を示す構成図。本発明に係る中性子検出器の第３実施形態を示す構成図。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ中性子検出器
２本体ケース
３アノード
４、４Ａカソード
５周方向位置決め絶縁体
６端栓
７軸方向位置決め絶縁体
８充填ガス
９信号ケーブル要素
１０溶接部
１１内周壁
１２、１２ａ〜１２ｃ中性子変換層
１３中性子変換層塗布装置
１４尖端部
１５、１５Ａ放電電極
１６絶縁体
１７電圧印加手段
１８電極移動手段
１９中性子変換材
２０中性子変換材移動手段
２１粒子発生装置
２２光ファイバ
Ａ荷電粒子
Ｂ中性子有感物質
Ｐプラズマ

Claims

本体ケース内に円筒状のカソードが収納され、そのカソード内に棒状のアノードが軸方向に配置されて、本体ケース内部に充填ガスが封入されるとともに、カソードの内周壁に中性子に反応して荷電粒子を放出する中性子変換層が設けられる中性子検出器の製造方法において、
前記アノードの代わりに、中性子有感物質を含み先端に尖端部を有する放電電極をカソード内に挿入し、
前記放電電極及びカソードに電圧を印加し、放電電極の尖端部及びカソード間にプラズマを発生させ、
このプラズマにより放電電極の中性子有感物質をスパッタリングさせてカソードの内周壁に蒸着させることにより中性子変換層を設けることを特徴とする中性子検出器の製造方法。
前記放電電極及びカソードに電圧を印加する際に、アノードの周囲を絶縁体で覆い、アノードの尖端部のみを絶縁体から露出させる請求項１記載の中性子検出器の製造方法。
本体ケース内に円筒状のカソードが収納され、そのカソード内に棒状のアノードが軸方向に配置されて、本体ケース内部に充填ガスが封入されるとともに、カソードの内周壁に中性子に反応して荷電粒子を放出する中性子変換層が設けられる中性子検出器の製造方法において、
前記アノードの代わりに、中性子有感物質を含み先端に尖端部を有する放電電極をカソード内に挿入し、
前記放電電極に向けて荷電粒子を放出して前記放電電極の中性子有感物質をスパッタリングさせてカソードの内周壁に蒸着させることにより中性子変換層を設けることを特徴とする中性子検出器の製造方法。